Czarna dziura. Jak powstaje i czy można ją zobaczyć?

Czarna dziura jest to obszar czasoprzestrzeni, twór grawitacji, któremu podlegają cząstki o zarówno małych, jak i dużych masach, łącznie ze światłem. Zgodnie z teorią względności, aby mogła powstać, niezbedne jest nagromadzenie dostatecznie dużej masy w odpowiednio małej objętości.

Czarną dziurę otacza zdefiniowana matematycznie powierzchnia o nazwie horyzont zdarzeń, wyznaczający granicę bez powrotu. Nazywana jest czarną, gdyż zupełnie wchłania światło, które trafia w horyzont, niczego nie odbijając, tak, jak ciało doskonale czarne w termodynamice.

Teoria kwantowa pola przewiduje, że dziura ta emituje promieniowanie jak ciało doskonale czarne o temperaturze innej niż zero. Temperatura ta jest odwrotnie proporcjonalna do masy czarnej dziury, przez co trudno ją dostrzec w przypadku czarnej dziury o masie gwiazdowej lub większej.

Zgodnie z teorią Einsteina, w silnym polu grawitacji czas płynie wolniej niż w słabym. Procesy w nim zachodzące ulegają spowolnieniu (dylatacja czasu) z punktu widzenia obserwatora, silne pola grawitacyjne zaś powodują zmianę własności geometrycznych przestrzeni, co może np. oznaczać, że suma kątów w trójkącie nie będzie wynosiła 180°.

Przestrzeń oraz czas tworzą zakrzywiającą się, czterowymiarową czasoprzestrzeń. Siła grawitacji na powierzchni gwiazdy osiąga wartość nieskończoną, gdy zaś rozmiary ciała zbliżają się do promienia grawitacyjnego, zmierza ona do nieskończoności.

Gdy tak się stanie, nie może zostać zrównoważona przez skończone ciśnienie i ciało musi zapaść się do środka, co powoduje powstanie czarnej dziury. Czas w jej pobliżu zaczyna biec wolniej, na zewnętrznej powierzchni czarnej dziury zaś upływ czasu zupełnie zanika.

Czarne dziury o masie gwiazdowej powstają w wyniku wspomnianego wyżej zapadania grawitacyjnego bardzo masywnych gwiazd pod koniec ich życia. Istnieją również czarne dziury o masach miliony razy większych niż masa Słońca.

Według badaczy tego typu czarne dziury znajdują się w centrach większości galaktyk. Istnieją dowody na istnienie czarnej dziury o masie około 4 milionów mas Słońca w centrum Drogi Mlecznej.

Możemy wyróżnić również czarne dziury o masie pośredniej między supermasywnymi a gwiazdowymi, najcięższe zaś czarne dziury nazywane są ultramasowymi.

Ciało, które do wpadnie do czarnej dziury, nie może się już z niej wydostać, gdyż wszystkie drogi ucieczki prowadzą z powrotem do środka. Jest w niej uwięziona nie tylko materia, lecz i światło, które porusza się po liniach geodezyjnych.

Nie ma możliwości dostrzeżenia czarnych dziur bezpośrednio. Ich obecność wnioskuje się na podstawie ich oddziaływania z otaczającą materią, światłem i innymi rodzajami promieniowania elektromagnetycznego.

Dla przykładu, materia opadająca na powierzchnię czarnej dziury może uformować dysk akrecyjny, który generuje ogromne ilości promieniowania na skutek tarcia, jonizacji i silnego przyspieszania wchłanianych cząstek.

Pewna część zjonizowanej materii dysku pod wpływem działania jego pola elektromagnetycznego może uciekać w kierunkach osi obrotu, tworząc ogromne dżety.

Supermasywne czarne dziury w centrach aktywnych galaktyk, wokół których zachodzi proces akrecji, powodują ich niezwykłe i bardzo silne świecenie, dlatego obiekty zawierające czarne dziury mogą być jednymi z najjaśniejszych we Wszechświecie.